Número de oxidación y reacciones redox
En los puertos de Manta y Guayaquil, el aire húmedo y salado llena de herrumbre los clavos y las rejas en pocos meses. Un clavo de hierro se vuelve rojizo y quebradizo, y un trozo de cobre se vuelve verdoso. ¿Qué les pasa a los átomos para que cambie la sustancia? La respuesta está en los electrones, y para seguirles la pista los químicos usan una herramienta: el número de oxidación.
Número de oxidación y sus reglas
El número de oxidación (N.O.) es la carga que tendría un átomo si todos los electrones de sus enlaces se asignaran al átomo más electronegativo. En un ion simple es su carga real. En una molécula es una carga «formal», una contabilidad que nos ayuda a seguir los electrones.
No es lo mismo que la valencia. La valencia indica cuántos enlaces forma un átomo y no lleva signo. El número de oxidación lleva signo: $+2$, $-1$, $0$. En el $\mathrm{H_2O}$ el oxígeno tiene valencia 2 y número de oxidación $-2$.
La regla 6 es la que permite despejar el número que no conocemos: la carga total no puede aparecer ni desaparecer.
Determina el número de oxidación del azufre en cada una de las siguientes especies: $\text{H}2\text{SO}4$, $\text{SO}2$ y $\text{S}8$. Escribe, en cada caso, la regla…
Determina el número de oxidación del azufre en cada una de las siguientes especies: $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{SO}_2$ y $\text{S}_8$. Escribe, en cada caso, la regla que aplicas para el oxígeno, el hidrógeno o el elemento libre.
Calcula el número de oxidación del manganeso en $\text{KMnO}4$, en $\text{MnO}2$ y en $\text{MnSO}4$. Luego ordena estas tres especies de mayor a menor número de…
Calcula el número de oxidación del manganeso en $\text{KMnO}_4$, en $\text{MnO}_2$ y en $\text{MnSO}_4$. Luego ordena estas tres especies de mayor a menor número de oxidación del manganeso y explica cuál de ellas tendría mayor tendencia a reducirse.
Oxidación y reducción: transferencia de electrones
Cuando un clavo de hierro se oxida, sus átomos pierden electrones y pasan a ser iones. Las dos definiciones que debes recordar:
Los electrones no se crean ni se destruyen. Si una especie los pierde, otra los gana, así que oxidación y reducción ocurren siempre juntas. Por eso se habla de reacciones redox.
Cada proceso se escribe como una semirreacción, que muestra los electrones:
-
Oxidación: $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\,e^-}$
-
Reducción: $\mathrm{Cu^{2+} + 2\,e^- \rightarrow Cu}$
El electrón aparece como producto en la oxidación y como reactivo en la reducción. Al sumar las dos semirreacciones, los electrones se cancelan.
La especie que se reduce provoca la oxidación de otra, así que se llama agente oxidante. La que se oxida provoca la reducción de otra, y se llama agente reductor.
En la reacción $\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}$, indica qué especie se oxida y cuál se reduce. Escribe además la semirreacción de cada…
En la reacción $\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}$, indica qué especie se oxida y cuál se reduce. Escribe además la semirreacción de cada proceso, señalando los electrones que se pierden o se ganan.
Santiago afirma que «oxidarse es ganar electrones». Explica si su afirmación es correcta o no, y completa la frase: «Una especie que se reduce _ electrones, por lo que…
Santiago afirma que «oxidarse es ganar electrones». Explica si su afirmación es correcta o no, y completa la frase: «Una especie que se reduce _ electrones, por lo que su número de oxidación ___».
Reconocer una reacción redox
Una reacción es redox si en ella cambia el número de oxidación de al menos un elemento. El método es siempre el mismo: asigna el N.O. a cada elemento en reactivos y productos, y compara.
El $\mathrm{Cu^{2+}}$ gana electrones y se deposita sobre el clavo como cobre metálico, que es rojizo. Al mismo tiempo, el hierro pasa a la solución como $\mathrm{Fe^{2+}}$.
También hay reacciones con un solo reactivo que son redox. Si un mismo elemento aumenta y disminuye su número de oxidación a la vez, la reacción se llama dismutación. Es el caso del peróxido de hidrógeno, que se descompone (el agua oxigenada del botiquín se «apaga» con el tiempo):
$$\mathrm{H_2O_2 \rightarrow H_2O + O_2}$$El oxígeno vale $-1$ en el $\mathrm{H_2O_2}$, $-2$ en el $\mathrm{H_2O}$ y $0$ en el $\mathrm{O_2}$. Una parte de los átomos de oxígeno baja de $-1$ a $-2$ (se reduce) y otra parte sube de $-1$ a $0$ (se oxida). El mismo reactivo es a la vez oxidante y reductor.
Camila observa que un clavo de hierro, al dejarlo en una solución de sulfato de cobre(II), se cubre de una capa rojiza. La reacción es:…
Camila observa que un clavo de hierro, al dejarlo en una solución de sulfato de cobre(II), se cubre de una capa rojiza. La reacción es:
$\text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$
Asigna los números de oxidación de todos los elementos en reactivos y productos, identifica el agente oxidante y el agente reductor, y explica por qué el clavo cambia de aspecto.
Mateo debate con su compañera Ariana sobre la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno: $\text{H}2\text{O}2 \rightarrow \text{H}2\text{O} + \text{O}2$ Mateo…
Mateo debate con su compañera Ariana sobre la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno:
$\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$
Mateo dice que no es una reacción redox porque hay un solo reactivo. Ariana sostiene que sí lo es. Asigna los números de oxidación, determina quién tiene razón, indica qué papel cumple el oxígeno en el $\text{H}_2\text{O}_2$ y balancea la ecuación. Argumenta tu respuesta con las semirreacciones de oxidación y reducción.
Balancear por el cambio del número de oxidación
Los electrones que pierde una especie son exactamente los que gana otra. El método usa esa igualdad para hallar los coeficientes.
El siguiente ejemplo es más complejo, porque no todo el nitrógeno del ácido cambia de número de oxidación.
De los 8 átomos de nitrógeno, solo 2 cambian de N.O. (los que terminan en el $\mathrm{NO}$). Los otros 6 se quedan como ion nitrato, $+5$, y acompañan al $\mathrm{Cu^{2+}}$ en la sal. El $\mathrm{HNO_3}$ actúa entonces como oxidante y como ácido que forma la sal.
Balancea por el método del cambio del número de oxidación la ecuación: $\text{Al} + \text{HCl} \rightarrow \text{AlCl}3 + \text{H}2$ Escribe los números de oxidación que…
Balancea por el método del cambio del número de oxidación la ecuación:
$\text{Al} + \text{HCl} \rightarrow \text{AlCl}_3 + \text{H}_2$
Escribe los números de oxidación que cambian, el número de electrones que se pierden y se ganan, y la ecuación final con sus coeficientes.
En un laboratorio del colegio, Valentina hace reaccionar cobre con ácido nítrico diluido según la ecuación sin balancear:…
En un laboratorio del colegio, Valentina hace reaccionar cobre con ácido nítrico diluido según la ecuación sin balancear:
$\text{Cu} + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + \text{NO} + \text{H}_2\text{O}$
Asigna los números de oxidación, identifica qué se oxida y qué se reduce, y balancea la ecuación por el método del cambio del número de oxidación. Después explica por qué no todos los átomos de nitrógeno del $\text{HNO}_3$ cambian su número de oxidación.
Actividad de los metales
No todos los metales se oxidan con la misma facilidad. La serie de actividad ordena los metales según su tendencia a perder electrones. Una versión corta, de mayor a menor actividad:
$$\mathrm{Na > Mg > Al > Zn > Fe > H > Cu > Ag > Au}$$Un metal más activo desplaza del compuesto a uno menos activo. Por eso el hierro desplaza al cobre de la solución de $\mathrm{CuSO_4}$ y el clavo se cubre de cobre. Pasa lo mismo con el zinc y el $\mathrm{Cu^{2+}}$.
El orden inverso no ocurre. Un trozo de cobre en una solución de sulfato de hierro(II) no reacciona, porque el cobre es menos activo que el hierro y no puede quitarle los electrones.
Los metales ubicados antes del hidrógeno (como $\mathrm{Al}$, $\mathrm{Zn}$ y $\mathrm{Fe}$) desplazan al hidrógeno de los ácidos y producen $\mathrm{H_2}$, como en la reacción del aluminio con el $\mathrm{HCl}$. El cobre, que está después, no reacciona con un ácido como el $\mathrm{HCl}$.
Resumen
Vuelve al principio: la herrumbre del clavo en la costa es hierro que pierde electrones. Pasa de N.O. $0$ a $+2$ o $+3$ y se oxida, mientras el oxígeno del aire gana electrones y se reduce.
Santiago afirma que «oxidarse es ganar electrones». Explica si su afirmación es correcta o no, y completa la frase: «Una especie que se reduce _ electrones, por lo que…
Santiago afirma que «oxidarse es ganar electrones». Explica si su afirmación es correcta o no, y completa la frase: «Una especie que se reduce _ electrones, por lo que su número de oxidación ___».